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Was ist Kaltpressschweissen?

Kaltpressschweißen ist ein Festkörperschweißverfahren, das wenig oder gar keine Hitze benötigt, um zwei oder mehr Metalle miteinander zu verbinden, ohne sie zu schmelzen. Stattdessen wird die Energie zur Erzeugung einer Schweißnaht in Form von Druck verwendet. Während des Kaltpresssweißens ist im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren wie z.B. Lichtbogenschweißen oder Laserschweißen keine flüssige oder geschmolzene Phase in der Verbindung vorhanden.

Das auch als Anstauchschweißen bekannte Verfahren zum Verbinden von Metallen ohne Wärme wurde erstmals in den 1940er Jahren beschrieben, obwohl die Geschichte des Kaltpressschweißen viel weiter zurückreicht. Die Verfahrensvariante Kaltfließpressschweißen wird zur Erzeugung stoffschlüssiger Verbindungen durch gemeinsame Umformung eingesetzt.

Das Kaltpressschweißen ist zum Verbinden von Drähten weit verbreitet, und es gibt zahlreiche vorteilhafte Anwendungen in der gesamten Industrie, wohingegen das Kaltverschweißen im Vakuum des Weltalls ein in der Raumfahrt meist ungewünschtes Phänomen ist. 

TWI

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Wie funktioniert Kaltpressschweissen?

Bevor zwei oder mehr Metalle durch Kaltpressschweißen miteinander verbunden werden können, müssen die Oxidschichten auf den Oberflächen der Materialien entfernt werden. Die meisten Metalle haben unter normalen Bedingungen eine Oxidschicht auf der Oberfläche, die eine Barriere bildet, die die Metallatome daran hindert, sich zu verbinden. Sobald diese Oxidschicht entfernt ist, können die Metalle unter hohem Druck zusammengepresst werden, um metallurgische Verbindungen herzustellen. Die Oxidschicht kann durch Drahtbürsten, Entfetten oder andere chemische oder mechanische Verfahren entfernt werden.

Nach der Reinigung können die Metalle zusammengepresst werden. Die Materialien müssen möglichst duktil sein, d.h. sie sollten nicht kaltverfestigt und nicht gehärtet sein. Daher sind weiche Reinmetalle für das Kaltpressschweißen besser geeignet als festere Legierungen.

Das Kaltverschweißen hat früher bei Satelliten und anderen Raumfahrzeugen mechanische Probleme verursacht, wenn es zu einer Relativbewegung zwischen unbeschichteten Metalloberflächen kam. Das führte dazu, dass es gelegentlich gleichzeitig zu Adhäsion, Fressen und Anhaftungen kam, so dass z. B. Kaltverschweißen und Fressen gleichzeitig auftraten. Vorteilhaft ist, dass damit Metalle ohne eine flüssige oder geschmolzene Phase miteinander verbunden werden können und dass Astronauten damit schnell und effektiv außerhalb eines Raumfahrzeugs notwendige Reparaturarbeiten durchführen können.

Kaltpressschweißen kann auch im Nanobereich durchgeführt werden, wobei gezeigt wurde, dass einkristalline, ultradünne Gold-Nanodrähte mit Durchmessern unter 10 nm innerhalb von Sekunden durch mechanischen Kontakt verbunden werden können. Die Ergebnisse sind nachweislich nahezu perfekt, mit der gleichen Kristallorientierung, elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit wie der Rest des Nanodrahtes. Diese hochwertige Verschweißung ist auf die mikroskopisch kleinen Probenabmessungen, die mechanisch unterstützte Oberflächendiffusion und die orientierten Befestigungsmechanismen zurückzuführen. Nanoskaliges Kaltpessschweißen wurde bereits für die Verbindung von Gold mit Silber und Silber mit Silber demonstriert.

Zur Erklärung der Funktionsweise des Kaltpressschweißens erläuterte Richard Feynman in seinen Feynman Lectures: „Der Grund für dieses unerwartete Verhalten ist, dass es, wenn die Atome, die sich berühren, alle von der gleichen Art sind, keine Möglichkeit für die Atome gibt, zu wissen, dass sie in verschiedenen Kupferstücken sind. Wenn es dazwischen aber durch Oxide, Fette, Verunreinigungen bzw. kompliziertere dünne Oberflächenschichten andere Atome gibt, wissen die Atome, dass sie nicht auf demselben Teil sind.“

Geschichte

Das Kaltpressschweißen wurde erstmals in den 1940er Jahren als Phänomen beschrieben, aber die Geschichte hinter der Kaltpressschweißtechnik reicht viel weiter zurück. Archäologen haben Werkzeuge aus der Bronzezeit gefunden, die mit Hilfe des Kaltpressschweißens verbunden wurden, aber das erste wissenschaftliche Experiment dazu wurde erst 1724 durchgeführt, als Reverend John Theophilus Desaguliers zwei Bleikugeln benutzte, um das Konzept zu testen, indem er sie zusammenhielt und verdrehte, woraufhin er feststellte, dass sie sich verbanden. Weitere Tests zeigten, dass die entstandene Verbindung die gleiche Festigkeit hatte wie das Grundmetall.

Vorteile

Das Kaltpressschweißen bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Schweißverfahren, darunter:

1. Keine Wärmeeinflusszone

Beim Kaltpressschweißen entsteht keine Wärmeeinflusszone (WEZ), was das Risiko negativer chemischer oder mechanischer Veränderungen an den zu verbindenden Grundwerkstoffen stark reduziert.

2. Starke, saubere Schweißnähte

Kaltpressschweißen ermöglicht saubere Schweißnähte, die mindestens so fest sind wie das schwächste der Grundmaterialien. Bei diesem Schweißverfahren bilden sich keine spröden intermetallischen Verbindungen an der Verbindungsstelle.

3. Verbinden ungleicher Werkstoffe

Unähnliche Metalle, die mit anderen Verfahren nur schwer zu verbinden sind, wie z. B. Aluminium und Kupfer, können mit Kaltpressschweißen verbunden werden.

4. Schweißen von Aluminium

Nicht nur beim Verbinden von Kupfer mit Aluminium zeigt das Kaltpressschweißen seine Vorzüge, denn auch beim Schweißen von Aluminium der Serien 2xxx und 7xxx kann dieses Verfahren eingesetzt werden, was mit Schmelzschweißverfahren nicht möglich ist.

Nachteile

Obwohl das Kaltpressschweißen einige nennenswerte Vorteile bietet, gibt es auch Einschränkungen, die mit dieser Technik verbunden sind. Diese Nachteile machen es schwierig, das Kaltpressschweißen in den meisten Fällen als primäres Fügeverfahren zu betrachten. Wie oben gezeigt, kann das Kaltpressschweißen jedoch unter bestimmten Umständen immer noch von Vorteil sein. Zu den Problemen und Herausforderungen des Kaltpressschweißens gehören:

1. Sauberkeit

Das Hauptproblem beim Kaltpressschweißen ist, dass die Materialien sauber und oxidfrei sein müssen, um eine zufriedenstellende Schweißnaht zu erzeugen. Dies kann schwer zu erreichen sowie teuer und in einer Produktionsumgebung mit hohen Stückzahlen schwierig handzuhaben sein.

2. Materialtypen

Es gibt Einschränkungen bei den Materialtypen, die kalt zusammengeschweißt werden können, da die Metalle duktil sein müssen und keine starken Härtungsprozesse durchlaufen haben dürfen. Darüber hinaus können Metalle, die irgendeine Form von Kohlenstoff enthalten, nicht mit dieser Technik verbunden werden.

3. Materialform

Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche von Metallen können das Fügen erschweren, selbst wenn alle anderen Schritte unternommen wurden. Das Kaltpressschweißen setzt voraus, dass die Werkstoffe eine gleichmäßige Form haben und keine Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen. Die besten Kaltpressschweißnähte werden mit ebenen, regelmäßigen Oberflächen erzielt.

Anwendungen

Trotz aller Herausforderungen, die das Verfahren mit sich bringt, gibt es eine Reihe von Anwendungen für das Kaltpressschweißen in der Industrie.

Die häufigste Anwendung für diese Methode ist das Schweißen von Drähten, was mit Schmelzschweißverfahren wegen der durch sie eingebrachten Wärme schwierig ist. Kaltpressschweißen kann schnelle und starke Verbindungen in Drähten sicherstellen und wird häufig bei Aluminium, 70/30 Messing, Kupfer, Gold, Nickel, Silber, Silberlegierungen und Zink eingesetzt.

Das Kaltpressschweißen eignet sich auch gut zum Verbinden von artfremden Metallen, die sich sonst nur schwer effektiv schweißen lassen. Besonders nützlich ist dieses Verfahren für das Verbinden von Kupfer und Aluminium, aber auch das Verschweißen von Aluminium der Werkstoffreihen 2xxx und 7xxx ist mit diesem Verfahren möglich.

In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie wird das Kaltpressschweißen häufig zur Herstellung von Stumpf- oder Überlappverbindungen verwendet.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Welche Metalle können kaltpressgeschweißt werden?

Metall, das kaltpressgeschweißt werden soll, sollte möglichst duktil sein, und die Technik wird häufig verwendet, um Aluminium (einschließlich nicht schweißbarer Sorten der 2xxx und 7xxx-Serie), 70/30-Messinglegierungen, Kupfer, Zink, Silber und Silberlegierungen, Nickel und Gold zu verbinden, insbesondere als Drähte. Kaltpressschweißen kann unter großem Druck aber auch zum Verbinden von weniger duktilen Metallen wie z. B. Edelstahl verwendet werden.

Welche Metalle können nicht kaltpressgeschweißt werden?

Kohlenstoffhaltige Metalle können nicht kalt miteinander verschweißt werden.

Haben Kaltpressschweißungen eine hohe Festigkeit?

Kaltpressschweißen kann eine Verbindung schaffen, die so fest ist wie die Grundwerkstoffe, wenn die Bedingungen stimmen. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies, dass die Metalle duktil, an der Oberfläche von Oxiden gereinigt und idealerweise von regelmäßiger Form sein sollten. Die Werkstoffe dürfen nicht stark gehärtet sein oder Kohlenstoffe enthalten.

Wenn diese Faktoren berücksichtigt werden, kann das Kaltpressschweißen einige der festesten Schweißnähte erzeugen, die möglich sind.

Sind Kaltpressschweißungen haltbar?

Kaltpressschweißen kann unter den richtigen Bedingungen dauerhaft haltbare Schweißnähte erzeugen. Bei korrekter Ausführung kann die Verbindung nur unter Beschädigung der Werkstücke rückgängig gemacht werden. Wenn das Kaltpressschweißen jedoch nicht unter den richtigen Bedingungen durchgeführt wird, können die Verbindungen versagen.

Fazit

Kaltpressschweißen ist eine einzigartige Verbindungstechnik, die sehr starke Verbindungen ohne den Einsatz von Wärme herstellen kann. Es wird seit der Bronzezeit verwendet, wurde aber erst in der Neuzeit wissenschaftlich erforscht.

Obwohl das Kaltpressschweißen einige Herausforderungen mit sich bringt, kann es, wenn es richtig ausgeführt wird, unterschiedliche Materialien und sogar einige „nichtschweißbare“ Aluminiumlegierungen miteinander verbinden. Typischerweise wird das Kaltpressschweißen zum Verbinden von Drähten verwendet, findet aber auch in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie Anwendung.

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